球墨鑄鐵凝固特性差異 冒口設計有特點
一般說來，球墨鑄鐵件產生縮孔、縮松的傾向比灰鑄鐵件大得多，防止收縮缺陷往往是工藝設計中十分棘手的問題。在這方面，從實際生產中總結出來的經驗很不一致，各有自己的見解：有人認為應該遵循順序凝固的原則，在最后凝固的部位放置大冒口，以補充鑄件在凝固過程中產生的體積收縮;有人認為球墨鑄鐵件只需要采用小冒口，有時不用冒口也能生產出健全的鑄件。
球墨鑄鐵
要在確保鑄件質量的條件下最大限度地提高工藝出品率，僅僅依靠控制鑄鐵的化學成分是不夠的，必須在了解球墨鑄鐵凝固特性的基礎上，切實控制鑄鐵熔煉、球化處理、孕育處理和澆注作業的全過程，而且要有效地控制鑄型的剛度。
一、球墨鑄鐵的凝固特性
實際生產中采用的球墨鑄鐵，大多數都接近共晶成分。厚壁鑄件采用亞共晶成分，薄壁鑄件采用過共晶成分，但偏離共晶成分都不遠。
共晶成分、過共晶成分的球墨鑄鐵，共晶凝固時都是先自液相中析出小石墨球。即使是亞共晶成分的球墨鑄鐵，由于球化處理和孕育處理后鐵液的過冷度增大，也會在遠高于平衡共晶轉變溫度的溫度下先析出小石墨球。第一批小石墨球在1300℃甚至更高的溫度下就已形成。
在此后的凝固過程中，隨著溫度的降低，首批小石墨球有的長大，有的再次溶入鐵液，同時也會有新的石墨球析出。石墨球的析出和長大是在一個很寬的溫度范圍內進行的。
石墨球長大時，其周圍的鐵液中碳含量降低，就會在石墨球的周圍形成包圍石墨球的奧氏體外殼。奧氏體外殼形成的時間與鑄件在鑄型中的冷卻速率有關：冷卻速率高，鐵液中的碳來不及擴散均勻，形成奧氏體外殼就較早;冷卻速率低，有利于鐵液中的碳擴散均勻，奧氏體外殼的形成就較晚。
奧氏體外殼形成以前，石墨球直接與碳含量高的鐵液直接接觸，鐵液中的碳易于向石墨球擴散，使石墨球長大。奧氏體外殼形成后，鐵液中的碳向石墨球的擴散受阻，石墨球的長大速度急劇下降。由于自鐵液中析出石墨時釋放的結晶潛熱多，約3600 J/g，自鐵液中析出奧氏體時釋放的結晶潛熱少，約200 J/g，在石墨球周圍形成奧氏體外殼、石墨球的長大受阻，就會使結晶潛熱的釋放顯著減緩。在這種條件下，共晶凝固的進行要靠進一步降低溫度以產生新的晶核。因此，球墨鑄鐵的共晶轉變要在頗大的溫度范圍內完成，其凝固的溫度范圍是灰鑄鐵的二倍或更多一些，具有典型的糊狀凝固特性。
簡略說來，球墨鑄鐵的凝固特性主要有以下幾方面。
1、凝固溫度范圍寬
從鐵-碳合金的平衡圖看來，在共晶成分附近，凝固的溫度范圍并不寬。實際上，鐵液經球化處理和孕育處理后，其凝固過程偏離平衡條件很遠，在共晶轉變溫度(1150℃)以上150℃左右，即開始析出石墨球，共晶轉變終了的溫度又可能比平衡共晶轉變溫度低50℃左右。
凝固溫度范圍這樣寬的合金，以糊狀凝固方式凝固，很難使鑄件實現順序凝固。因此，按鑄鋼件的冒口設計原則，使鑄件實現順序凝固，在最后凝固的熱節部位設置大冒口的工藝方案不是很合適的。
由于在很高的溫度下即有石墨球析出，并發生共晶轉變，液-固兩相共存的時間很長，鐵液凝固過程中同時發生液態收縮和凝固收縮。因此，要像鑄鋼件那樣，通過澆注系統和冒口比較充分地補充液態收縮也是不太可能的。
2、共晶轉變過程中石墨的析出導致體積膨脹
在共晶溫度附近，奧氏體的密度約為7.3g/cm3，石墨的密度約為2.15g/cm3。鑄件凝固過程中，石墨的析出會導致系統的體積膨脹，大約每析出1%(質量分數)的石墨可產生3.4%的體積膨脹。
妥善地利用鑄鐵中的石墨化膨脹，可以有效地補償凝固過程中的體積收縮，在一定的條件下，可以不用冒口生產健全的鑄件。
應該著重提出的是：灰鑄鐵和球墨鑄鐵都在共晶轉變過程中析出石墨、發生體積膨脹，但是，由于兩種鑄鐵中石墨形態和長大的機制不同，石墨化膨脹對鑄鐵鑄造性能的影響也很不一樣。
灰鑄鐵共晶團中的片狀石墨，與鐵液直接接觸的尖端優先長大，石墨長大所發生的體積膨脹大部分作用于石墨尖端接觸的鐵液，有利于迫使其填充奧氏體枝間的空隙，從而使鑄件更為致密。
球墨鑄鐵中的石墨，是在奧氏體外殼包圍的條件下長大的，石墨球長大所發生的體積膨脹主要是通過奧氏體外殼作用在相鄰的共晶團上，有可能將其擠開，使共晶團之間的空隙擴大，也易于通過共晶團作用在鑄型的型壁上，導致型壁運動。
3、鑄件凝固過程中石墨化膨脹易使鑄型發生型壁運動
球墨鑄鐵以糊狀凝固方式凝固，鑄件開始凝固時，鑄型-金屬界面處的鑄件外表面層就比灰鑄鐵薄得多，而且增長很慢，即使經過了較長的時間，表層仍然是強度低、剛度差的薄殼。內部發生石墨化膨脹時，這種外殼不足以耐受膨脹力的作用下，就可能向外移動。如果鑄型的剛度差，就會發生型壁運動而使型腔脹大。結果，不僅影響鑄件的尺寸精度，而且石墨化膨脹以后的收縮得不到補充，就會在鑄件內部產生縮孔、縮松之類的缺陷。
4、共晶奧氏體中的碳含量高于灰鑄鐵
據美國R. W.Heine的研究報告，球墨鑄鐵共晶凝固過程中，奧氏體中的碳含量高于灰鑄鐵中奧氏體的碳含量
灰鑄鐵共晶凝固時，共晶團中的石墨片既與奧氏體接觸，也與碳含量高的鐵液直接接觸，鐵液中的碳，除通過奧氏體向石墨擴散外，也直接向石墨片擴散，因而鐵液-奧氏體界面處奧氏體中的碳含量較低，約為1.55%左右。
球墨鑄鐵共晶凝固時，共晶團中的石墨球只與奧氏體殼接觸，不與鐵液接觸，石墨球長大時，鐵液中的碳都通過奧氏體殼向石墨球擴散，因而，鐵液-奧氏體界面處奧氏體中的碳含量較高，可達到2.15%左右。
球墨鑄鐵共晶凝固時，奧氏體中的碳含量可能較高，在碳含量、硅含量相同的條件下，如保持同樣的冷卻速率，則析出的石墨量較少，因而，共晶凝固時的體積收縮會略大于灰鑄鐵。這也是球墨鑄鐵件較易產生縮孔、縮松缺陷的原因之一。凝固過程中保持較低的冷卻速率，是有利于石墨充分析出的因素。
在能使石墨化充分的條件下，共晶奧氏體中的碳含量(即碳在奧氏體中的最大固溶度)與鑄鐵中的硅含量有關，一般可按下式計算。
碳在奧氏體中的最大固溶度CE=2.045-0.178 Si
球墨鑄鐵
要在確保鑄件質量的條件下最大限度地提高工藝出品率，僅僅依靠控制鑄鐵的化學成分是不夠的，必須在了解球墨鑄鐵凝固特性的基礎上，切實控制鑄鐵熔煉、球化處理、孕育處理和澆注作業的全過程，而且要有效地控制鑄型的剛度。
一、球墨鑄鐵的凝固特性
實際生產中采用的球墨鑄鐵，大多數都接近共晶成分。厚壁鑄件采用亞共晶成分，薄壁鑄件采用過共晶成分，但偏離共晶成分都不遠。
共晶成分、過共晶成分的球墨鑄鐵，共晶凝固時都是先自液相中析出小石墨球。即使是亞共晶成分的球墨鑄鐵，由于球化處理和孕育處理后鐵液的過冷度增大，也會在遠高于平衡共晶轉變溫度的溫度下先析出小石墨球。第一批小石墨球在1300℃甚至更高的溫度下就已形成。
在此后的凝固過程中，隨著溫度的降低，首批小石墨球有的長大，有的再次溶入鐵液，同時也會有新的石墨球析出。石墨球的析出和長大是在一個很寬的溫度范圍內進行的。
石墨球長大時，其周圍的鐵液中碳含量降低，就會在石墨球的周圍形成包圍石墨球的奧氏體外殼。奧氏體外殼形成的時間與鑄件在鑄型中的冷卻速率有關：冷卻速率高，鐵液中的碳來不及擴散均勻，形成奧氏體外殼就較早;冷卻速率低，有利于鐵液中的碳擴散均勻，奧氏體外殼的形成就較晚。
奧氏體外殼形成以前，石墨球直接與碳含量高的鐵液直接接觸，鐵液中的碳易于向石墨球擴散，使石墨球長大。奧氏體外殼形成后，鐵液中的碳向石墨球的擴散受阻，石墨球的長大速度急劇下降。由于自鐵液中析出石墨時釋放的結晶潛熱多，約3600 J/g，自鐵液中析出奧氏體時釋放的結晶潛熱少，約200 J/g，在石墨球周圍形成奧氏體外殼、石墨球的長大受阻，就會使結晶潛熱的釋放顯著減緩。在這種條件下，共晶凝固的進行要靠進一步降低溫度以產生新的晶核。因此，球墨鑄鐵的共晶轉變要在頗大的溫度范圍內完成，其凝固的溫度范圍是灰鑄鐵的二倍或更多一些，具有典型的糊狀凝固特性。
簡略說來，球墨鑄鐵的凝固特性主要有以下幾方面。
1、凝固溫度范圍寬
從鐵-碳合金的平衡圖看來，在共晶成分附近，凝固的溫度范圍并不寬。實際上，鐵液經球化處理和孕育處理后，其凝固過程偏離平衡條件很遠，在共晶轉變溫度(1150℃)以上150℃左右，即開始析出石墨球，共晶轉變終了的溫度又可能比平衡共晶轉變溫度低50℃左右。
凝固溫度范圍這樣寬的合金，以糊狀凝固方式凝固，很難使鑄件實現順序凝固。因此，按鑄鋼件的冒口設計原則，使鑄件實現順序凝固，在最后凝固的熱節部位設置大冒口的工藝方案不是很合適的。
由于在很高的溫度下即有石墨球析出，并發生共晶轉變，液-固兩相共存的時間很長，鐵液凝固過程中同時發生液態收縮和凝固收縮。因此，要像鑄鋼件那樣，通過澆注系統和冒口比較充分地補充液態收縮也是不太可能的。
2、共晶轉變過程中石墨的析出導致體積膨脹
在共晶溫度附近，奧氏體的密度約為7.3g/cm3，石墨的密度約為2.15g/cm3。鑄件凝固過程中，石墨的析出會導致系統的體積膨脹，大約每析出1%(質量分數)的石墨可產生3.4%的體積膨脹。
妥善地利用鑄鐵中的石墨化膨脹，可以有效地補償凝固過程中的體積收縮，在一定的條件下，可以不用冒口生產健全的鑄件。
應該著重提出的是：灰鑄鐵和球墨鑄鐵都在共晶轉變過程中析出石墨、發生體積膨脹，但是，由于兩種鑄鐵中石墨形態和長大的機制不同，石墨化膨脹對鑄鐵鑄造性能的影響也很不一樣。
灰鑄鐵共晶團中的片狀石墨，與鐵液直接接觸的尖端優先長大，石墨長大所發生的體積膨脹大部分作用于石墨尖端接觸的鐵液，有利于迫使其填充奧氏體枝間的空隙，從而使鑄件更為致密。
球墨鑄鐵中的石墨，是在奧氏體外殼包圍的條件下長大的，石墨球長大所發生的體積膨脹主要是通過奧氏體外殼作用在相鄰的共晶團上，有可能將其擠開，使共晶團之間的空隙擴大，也易于通過共晶團作用在鑄型的型壁上，導致型壁運動。
3、鑄件凝固過程中石墨化膨脹易使鑄型發生型壁運動
球墨鑄鐵以糊狀凝固方式凝固，鑄件開始凝固時，鑄型-金屬界面處的鑄件外表面層就比灰鑄鐵薄得多，而且增長很慢，即使經過了較長的時間，表層仍然是強度低、剛度差的薄殼。內部發生石墨化膨脹時，這種外殼不足以耐受膨脹力的作用下，就可能向外移動。如果鑄型的剛度差，就會發生型壁運動而使型腔脹大。結果，不僅影響鑄件的尺寸精度，而且石墨化膨脹以后的收縮得不到補充，就會在鑄件內部產生縮孔、縮松之類的缺陷。
4、共晶奧氏體中的碳含量高于灰鑄鐵
據美國R. W.Heine的研究報告，球墨鑄鐵共晶凝固過程中，奧氏體中的碳含量高于灰鑄鐵中奧氏體的碳含量
灰鑄鐵共晶凝固時，共晶團中的石墨片既與奧氏體接觸，也與碳含量高的鐵液直接接觸，鐵液中的碳，除通過奧氏體向石墨擴散外，也直接向石墨片擴散，因而鐵液-奧氏體界面處奧氏體中的碳含量較低，約為1.55%左右。
球墨鑄鐵共晶凝固時，共晶團中的石墨球只與奧氏體殼接觸，不與鐵液接觸，石墨球長大時，鐵液中的碳都通過奧氏體殼向石墨球擴散，因而，鐵液-奧氏體界面處奧氏體中的碳含量較高，可達到2.15%左右。
球墨鑄鐵共晶凝固時，奧氏體中的碳含量可能較高，在碳含量、硅含量相同的條件下，如保持同樣的冷卻速率，則析出的石墨量較少，因而，共晶凝固時的體積收縮會略大于灰鑄鐵。這也是球墨鑄鐵件較易產生縮孔、縮松缺陷的原因之一。凝固過程中保持較低的冷卻速率，是有利于石墨充分析出的因素。
在能使石墨化充分的條件下，共晶奧氏體中的碳含量(即碳在奧氏體中的最大固溶度)與鑄鐵中的硅含量有關，一般可按下式計算。
碳在奧氏體中的最大固溶度CE=2.045-0.178 Si
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